赵文圣，杜德芳，欧阳斌，范立云

1．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

2．大众汽车自动变速器（大连）有限公司生产部，辽宁大连 116600

船用电控单体泵喷油系统性能试验研究

赵文圣1，杜德芳2，欧阳斌1，范立云1

1．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

2．大众汽车自动变速器（大连）有限公司生产部，辽宁大连 116600

为研究适用于船用柴油机的电控单体泵系统的燃油喷射特性，进行了全工况范围内的油泵试验台试验。通过对比分析试验数据，得出了船用电控单体泵燃油喷射系统的性能机理，包括不同工况下的泵端压力，嘴端压力，循环喷油量和液力延迟特性，一定程度上为电控单体泵系统的设计提供理论支撑，而且对其匹配不同发动机提供了有价值的参考。

内燃机；船用柴油机；电控单体泵；燃油系统；喷射特性

随着能源短缺和环境危机日益加剧，船舶柴油机排放法规日趋严格。采用电控燃油喷射技术，提高柴油机燃油喷射压力及精度，进一步优化油、气比例以保证充分燃烧是降低柴油机排放的有效途径。电控单体泵喷油系统不仅具有较高的燃油喷射压力和相对简单的结构，而且喷油量和喷油正时可灵活控制，还可以通过优化凸轮型线实现理想的喷油规律来降低噪声和氮氧化物［1-3］，因而成为降低柴油机排放的理想选择之一。目前国内仅对于应用于车用柴油机的电控单体泵喷油系统做了一些研究，未分析应用于船用柴油机的电控单体泵喷油系统的燃油喷射特性，由于船用柴油机较车用柴油机而言，发动机转速，循环喷油量等有较大差别，导致其燃油喷射特性也有较大差别。因此，本文在油泵试验台上进行了船用电控单体泵系统全工况范围内的喷射特性试验，并结合试验数据详细分析了该系统的燃油喷射特性，为其匹配不同船用柴油机提供参考。

1 系统组成和原理

船用电控单体泵喷油系统的基本结构如图1所示。它包括电子控制系统和机械液力系统两大部分：前者由电控单元ECU、传感器、电磁执行器等构成，后者由凸轮轴、柱塞、柱塞弹簧、高压油管、喷油器以及低压油路构成［4-6］。这两者通过两位两通的常开式高速电磁阀连接，取代了传统机械泵中复杂的控制执行机构，喷油泵在此系统中只承担供油加压功能，因此油泵结构得到简化。供油始点和供油终点由电磁阀启闭时刻来控制，实现了对燃油喷射过程的直接数字控制［7-8］。同时可利用软件实现对各缸喷油一致性校准，因而可对每缸的喷油量和喷油定时进行精确、灵活的调节，实现对各缸喷油规律的柔性控制，从而达到改善燃烧质量，降低颗粒、噪声和排放的效果。由于采用高速电磁阀控制喷油，其喷射压力、喷油规律和液力延迟等特性与机械泵有着明显的不同，研究其喷油系统性能不仅对匹配不同柴油机有指导作用，而且和控制系统中应用层柴油机管理策略的制定、标定系统的柴油机标定参数的设定等密切相关［9］。

图1 电控单体泵系统结构示意图

2 试验研究

2．1 试验装置

试验研究在油泵试验台上进行，试验装置见图2。试验所采用的电控单体泵系统是针对船用柴油机设计开发的。数据的采集和存储采用横河DL750示波记录仪，泵端压力和嘴端压力的测量采用Kis-tler 4067压力传感器，喷油规律的测量采用 EFS EMI2单次喷射仪。

图2 电控单体泵燃油喷射特性试验装置

试验过程中，转速可通过试验台调整，喷油脉宽等参数的调整可通过上位机标定软件进行在线调整，以探究不同工况下的电控单体泵燃油喷射系统的喷射压力、循环喷油量和液力延迟特性。油泵试验台基本参数范围见表1。

表1 油泵试验台基本参数

2．2 喷射压力特性

喷射压力是影响柴油机燃油喷射系统的一个重要因素，分析喷射压力可以从中发现燃油压力的建立过程及其对喷油规律的影响。

图3是凸轮转速为750 r／min，喷油脉宽为5°凸轮转角时的泵端压力和嘴端压力变化曲线。从图中可以看出，从泵端最大压力的建立到嘴端压力最大的建立存在延迟，而且嘴端的最大压力大于泵端的最大压力，这是由于高压油路的压力波叠加效应造成的。另外从图中可以看出，在35°凸轮转角附近泵端压力曲线有短时间的回调，这是因为控制信号控制喷油结束，单体泵电磁阀关闭，出油阀落座，瞬间使泄油截面积减小，导致泵端压力瞬间上升。

图3 喷射压力变化曲线

（a）500 r／min泵端压力

（b）500 r／min嘴端压力

图4 典型工况下喷射压力随喷油脉宽变化曲线

图4为2种典型工况下，喷射压力随喷油脉宽变化曲线。从图中可以看出，相同凸轮转速下，随喷油脉宽的增加，泵端压力和嘴端压力升高。分析原因为：相同的凸轮转速下，随喷油脉宽增加，绝对喷油时间增长，供油时间也增长，使得进入高压油管的燃油量增加，进而引起喷油压力升高。

图5为试验测量的喷射压力特性曲线图。

图5 喷射压力特性

从图中可以看出，小喷油脉宽时，泵端压力随转速增加略有上升，而嘴端压力受转速的影响不明显；大喷油脉宽时，相同喷油脉宽下，喷油压力随着转速的增加而升高。分析原因为：喷射压力是电控单体泵系统中燃油压力波叠加的效果，反映了液力系统的喷射特性，它是转速（供油速率）和喷油时间的函数。在相同脉宽下，小喷油脉宽时，虽然高转速下供油速率高，但高转速下的喷油时间长度和低转速下相差不大，高供油速率的作用效果不明显，两者的综合影响下，表现为泵端压力随转速增加略有上升，压力波在经过高压油管传到嘴端时，其叠加效果更加不明显，因而小喷油脉宽下转速对嘴端压力影响更小；大喷油脉宽时，虽然高转速下绝对喷油时间较短，而且与低转速情况下相差较大，但高供油速率作用时间也增长，在上述因素综合作用下，表现出高转速喷油压力升高，由此可知当大喷油脉宽情况时，供油速率在喷油压力的建立过程中起决定性作用。

2．3 循环喷油量特性

循环喷油量特性如图6所示。

图6 循环喷油量特性

由图6（a）可知，相同转速下，循环喷油量随着喷油脉宽的增大而增大；相同喷油脉宽下，小喷油脉宽时，循环喷油量随转速变化不明显，大喷油脉宽时，循环喷油量随着转速的升高而减小。分析原因为：循环喷油量与喷射压力、喷油时间长短有关。小喷油脉宽时，转速对喷油时间和喷射压力的影响均不显著，因此，此时转速对循环喷油量影响很小；大喷油脉宽时，尽管相同脉宽下高转速工况时燃油喷射压力较高，喷油速率较大，进而循环喷油量较高，但低转速时喷油时间显著变长，喷油速率的时间积分更大，即循环喷油量更大，并且随着喷油时间的增加喷射压力会持续升高，进而使低转速下循环喷油量增加较高转速下更为明显。综上，循环喷油量受喷射压力和喷油时间相互影响，并且在大喷油脉宽时喷油时间起的作用更为明显，因此表现为随着转速的升高，循环喷油量降低。

图6（b）为循环喷油量波动方差，其中均方差是通过连续采集30次循环喷油量而得到的。从图中可以看出，随着转速和喷油脉宽的增加均方差有增加的趋势，在高转速小喷油脉宽对应均方差也比较大，这是因为随转速和喷油脉宽增大，高压油管内燃油波动增大，从而导致均方差增加；高转速小喷油脉宽时喷油量较小，而机械喷油器在小喷油量时线性度较差，因此导致均方差较大。另外，从图6（b）中还可以看出，循环喷油量在高转速时的波动不超过7 mm3，低转速时只有2～3 mm3，循环喷油量的波动程度满足柴油机油量特性要求。

典型工况下喷油速率随喷油脉宽变化曲线如图7所示。

图7 典型工况下喷油速率随喷油脉宽变化曲线

从图7中可以看出，低转速时喷油速率曲线较高转速时斜率更大，且低转速大喷油脉宽时表现出靴形喷油规律，而高转速时表现出方型喷油规律。分析原因为：高转速较低转速时燃油温度升高，且在低转速大喷油脉宽下循环喷油量比高转速大，所以表现出低转速喷油速率特性曲线斜率较高转速大。低转速大喷油脉宽时表现出的靴形喷油规律有利于降低有害物排放和大扭矩范围内的燃烧噪声，高转速时表现出的方型喷油规律有利于降低额定点附近的油耗。

2．4 液力延迟特性

在电控单体泵系统中，液力延迟是燃油喷射系统的重要特征之一［10］，其随发动机工况发生变化，影响喷油时刻和喷油量的准确性。液力延迟定义为电磁阀阀杆落座的起始时刻至开始喷油所经过的时间或转角，即压力波从电控单体泵出口经高压油管传送至喷油器，建立并达到喷油器开启压力所经历的时间。电磁阀阀杆落座表现在控制电流波形上为波形出现折点（始点），见图8（a）；开始喷油时刻见图8（b）。

图8 凸轮转速750 r／min时液力延迟特性

从图8中可以看出，同一凸轮转速下，喷油脉宽对电磁阀阀杆落座的始点时刻和喷油器启喷时刻基本无影响，即同一转速下，喷油系统液力延迟时间基本相同。分析原因为：同一转速，不同喷油脉宽时，喷油控制脉冲处于同一起始点，且同一转速下，柱塞在供油时运动速度相同，即供油速率相同，嘴端压力从残压到达喷油器启喷压力的时间也基本一致。因此喷油脉宽对液力延迟时间基本无影响。

表2为喷油脉宽为5°凸轮转角时，不同凸轮转速下，燃油喷射系统的液力延迟特性。从表中可以看出，在不同的凸轮转速下，燃油喷射系统液力延迟时间随着转速上升有缩短的趋势。1 000 r／min的液力延迟时间比500 r／min的延迟时间缩短0．27 ms左右。分析原因为：随着凸轮转速上升，从同样的发火计算齿到达控制脉冲产生齿的时间缩短，从而导致始点时间提前，但同时柱塞供油速度增加，即供油速率增加，嘴端压力从残压升至启喷压力时间缩短，启喷时刻延迟减小，在两方面的共同影响下，启喷时刻较始点时刻延迟减小更多，因而表现为燃油喷射系统液力延迟时间随着转速上升产生缩短趋势。

表2 燃油喷射系统液力延迟特性

3 结论

本文针对适用于船用柴油机的电控单体泵，研究了其燃油喷射系统在不同工况下的喷射压力特性、循环喷油量特性和液力延迟特性，主要结论如下：

1）相同凸轮转速下，伴随喷油脉宽的增加，泵端压力和嘴端压力按固定规律升高，不同凸轮转速下，相同脉宽的最高压力和压力变化速率均增大。这表明，泵端压力与嘴端压力变化是系统液力特性与机械特性耦合作用的结果，且凸轮型线决定泵端和嘴端的压力上升规律。

2）相同凸轮转速下，循环喷油量随喷油脉宽呈近似线性上升变化，这有利于柴油机的转速控制PID参数的标定；而且随凸轮转速增加，循环喷油量变化斜率逐渐降低，低转速时斜率变化较高转速时更为明显，这对柴油机油量限制脉谱及油量转换脉谱的标定具有指导意义。

3）喷油脉宽基本不影响燃油喷射系统液力延迟时间，系统液力延迟时间主要受转速影响，并且随着凸轮转速上升有缩短的趋势，这有利于简化延迟补偿脉谱的标定工作。

［1］NISHIMURA T，SATOH K，TAKAHASHI S，et al．Effects of fuel injection rate on combustion and emission in a DI diesel engine［C］／／Future Transportation Technology Con-ference＆Exposition．Costa Mesa，USA，1998：23-26．

［2］FAN Liyun，LONG Wuqiang，ZHU Yuanxian，et al．A characteristic study of electronic in-line pump system for diesel engines［C］／／SAE World Congress＆ Exhibition．2008：1-16．

［3］尤丽华，孙晓琴，唐雄辉，等．电控组合泵喷油驱动电路设计及试验分析［J］．内燃机工程，2009，30（6）：54-57．

［4］范立云，隆武强，朱元宪，等．电控组合泵柴油机喷油系统的性能研究［J］．内燃机学报，2007，25（5）：451-456．

［5］范立云，田丙奇，马修真，等．电控单体泵全工况喷油量波动影响参数量化分析［J］．哈尔滨工程大学学报，2012，33（1）：72-79．

［6］范立云，李清，马修真，等．电控单体泵燃油喷射系统喷油压力特性研究［J］．内燃机工程，2013，34（6）：81-86．

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［10］吴长水，龚元明．电控组合泵燃油喷射特性仿真与试验［J］．车用发动机，2011（2）：64-67．

Experimental study on fuel injection characteristics of electronic unit pump system for marine diesel engines

ZHAO Wensheng1，DU Defang2，OUYANG Bin1，FAN Liyun1
1．College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China
2．Volkswagen Automatic Transmission Dalian Co．，Ltd．Development Zone，Dalian 116600，China

To research the fuel injection characteristics of electronic unit pump（EUP）system for marine diesel en-gines，experiments on all working conditions were conducted on the pump bench．The performance and mechanism of EUP were concluded by analyzing the experimental data，including the characteristic curves of pump pressure，injector pressure，cyclic fuel injection quantity and hydraulic delay under different work conditions．To some de-gree，this study can provide theoretical support for the design of the EUP system，and offer valuable advice to match different engines．

IC engine；marine diesel engine；EUP；fuel injection system；injection characteristics

TK427

A

1009-671X（2014）03-0064-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201306007

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009-671X．201306007．html

2013-06-04．

日期：2014-06-05．

国家自然科学基金资助项目（51279037）；中央高校基本

科研业务费专项基金资助项目（HEUCFZ13）；黑龙江省博士后科研启动金资助项目（LBH-Q12126）．

赵文圣（1988-），男，博士研究生；

范立云（1981-），男，副教授，博士．

赵文圣，E-mail：zws88422＠126．com．